De nouvelles recherches menées par des ingénieurs du MIT et d'ailleurs pourraient conduire à des batteries qui peuvent contenir plus de puissance par livre et durer plus longtemps, basé sur l'objectif longtemps recherché d'utiliser du lithium métal pur comme l'une des deux électrodes de la batterie, l'anode.

Le nouveau concept d'électrode vient du laboratoire de Ju Li, la Battelle Energy Alliance Professeur de science et d'ingénierie nucléaires et professeur de science et d'ingénierie des matériaux. Il est décrit dans le journal La nature , dans un article co-écrit par Yuming Chen et Ziqiang Wang au MIT, avec 11 autres au MIT et à Hong Kong, Floride, et le Texas.

La conception fait partie d'un concept de développement de batteries tout-solides sûres, se passer du liquide ou du gel polymère habituellement utilisé comme matériau électrolytique entre les deux électrodes de la batterie. Un électrolyte permet aux ions lithium de faire des allers-retours pendant les cycles de charge et de décharge de la batterie, et une version tout solide pourrait être plus sûre que les électrolytes liquides, qui ont une volatilité élevée et ont été à l'origine d'explosions dans les batteries au lithium.

« Il y a eu beaucoup de travail sur les batteries à l'état solide, avec électrodes au lithium métal et électrolytes solides, " Li dit, mais ces efforts se sont heurtés à un certain nombre de problèmes.

L'un des plus gros problèmes est que lorsque la batterie est chargée, les atomes s'accumulent à l'intérieur du lithium métal, provoquant son expansion. Le métal se rétracte ensuite lors de la décharge, que la batterie est utilisée. Ces changements répétés des dimensions du métal, un peu comme le processus d'inspiration et d'expiration, rendre difficile pour les solides de maintenir un contact constant, et ont tendance à provoquer la rupture ou le détachement de l'électrolyte solide.

Un autre problème est qu'aucun des électrolytes solides proposés n'est vraiment chimiquement stable au contact du lithium métal hautement réactif, et ils ont tendance à se dégrader avec le temps.

La plupart des tentatives pour surmonter ces problèmes se sont concentrées sur la conception de matériaux d'électrolyte solide qui sont absolument stables contre le lithium métal, ce qui s'avère difficile. Au lieu, Li et son équipe ont adopté une conception inhabituelle qui utilise deux classes supplémentaires de solides, « conducteurs mixtes ioniques-électroniques » (MIEC) et « isolateurs d'électrons et de Li-ion » (ELI), qui sont absolument stables chimiquement au contact du lithium métal.

Les chercheurs ont développé une nanoarchitecture tridimensionnelle sous la forme d'un réseau en nid d'abeille de tubes MIEC hexagonaux, partiellement infusé avec le lithium métal solide pour former une électrode de la batterie, mais avec un espace supplémentaire laissé à l'intérieur de chaque tube. Lorsque le lithium se dilate pendant le processus de charge, il s'écoule dans l'espace vide à l'intérieur des tubes, se déplaçant comme un liquide même s'il conserve sa structure cristalline solide. Ce flux, entièrement confiné à l'intérieur de la structure en nid d'abeille, soulage la pression de l'expansion causée par la charge, mais sans changer les dimensions extérieures de l'électrode ou la limite entre l'électrode et l'électrolyte. L'autre matériel, l'ELI, sert de liant mécanique crucial entre les parois MIEC et la couche d'électrolyte solide.

"Nous avons conçu cette structure qui nous donne des électrodes tridimensionnelles, comme un nid d'abeille, " dit Li. Les espaces vides dans chaque tube de la structure permettent au lithium de " reculer " dans les tubes, " et comme ça, il n'accumule pas de stress pour fissurer l'électrolyte solide. » Le lithium en expansion et en contraction à l'intérieur de ces tubes entre et sort, un peu comme les pistons d'un moteur de voiture à l'intérieur de leurs cylindres. Parce que ces structures sont construites à des dimensions nanométriques (les tubes ont un diamètre d'environ 100 à 300 nanomètres, et des dizaines de microns de hauteur), le résultat est comme "un moteur avec 10 milliards de pistons, avec du lithium métal comme fluide de travail, " dit Li.

Parce que les parois de ces structures en nid d'abeilles sont en MIEC chimiquement stable, le lithium ne perd jamais le contact électrique avec le matériau, dit Li. Ainsi, l'ensemble de la batterie solide peut rester mécaniquement et chimiquement stable tout au long de ses cycles d'utilisation. L'équipe a prouvé le concept expérimentalement, soumettre un dispositif de test à 100 cycles de charge et de décharge sans produire de fracturation des solides.

Li dit que bien que de nombreux autres groupes travaillent sur ce qu'ils appellent des batteries solides, la plupart de ces systèmes fonctionnent en fait mieux avec de l'électrolyte liquide mélangé à de l'électrolyte solide. "Mais dans notre cas, " il dit, "C'est vraiment tout solide. Il n'y a pas de liquide ou de gel d'aucune sorte."

Le nouveau système pourrait conduire à des anodes sûres qui pèsent seulement un quart du poids de leurs homologues classiques dans les batteries lithium-ion, pour la même capacité de stockage. Si combiné avec de nouveaux concepts pour des versions légères de l'autre électrode, la cathode, ces travaux pourraient conduire à des réductions substantielles du poids global des batteries lithium-ion. Par exemple, l'équipe espère que cela pourrait conduire à des téléphones portables qui ne pourraient être rechargés qu'une fois tous les trois jours, sans rendre les téléphones plus lourds ou plus volumineux.

Un nouveau concept pour une cathode plus légère a été décrit par une autre équipe dirigée par Li, dans un article paru le mois dernier dans le journal Énergie naturelle , co-écrit par le postdoctorant du MIT Zhi Zhu et l'étudiant diplômé Daiwei Yu. Le matériau réduirait l'utilisation de nickel et de cobalt, qui sont chers et toxiques et utilisés dans les cathodes actuelles. La nouvelle cathode ne repose pas uniquement sur la contribution de capacité de ces métaux de transition dans le cycle de batterie. Au lieu, il s'appuierait davantage sur la capacité redox de l'oxygène, ce qui est beaucoup plus léger et plus abondant. Mais dans ce processus, les ions oxygène deviennent plus mobiles, ce qui peut les faire s'échapper des particules cathodiques. Les chercheurs ont utilisé un traitement de surface à haute température avec du sel fondu pour produire une couche de surface protectrice sur des particules d'oxyde métallique riche en manganèse et en lithium, ainsi la quantité de perte d'oxygène est considérablement réduite.

Même si la couche de surface est très mince, seulement 5 à 20 nanomètres d'épaisseur sur une particule de 400 nanomètres de large, il offre une bonne protection pour le matériau sous-jacent. "C'est presque comme une vaccination, " Li dit, contre les effets destructeurs de la perte d'oxygène dans les batteries utilisées à température ambiante. Les versions actuelles offrent une amélioration d'au moins 50 pour cent de la quantité d'énergie pouvant être stockée pour un poids donné, avec une bien meilleure stabilité à vélo.

L'équipe n'a construit jusqu'à présent que de petits appareils à l'échelle du laboratoire, mais "Je pense que cela peut être étendu très rapidement, " dit Li. Les matériaux nécessaires, principalement du manganèse, sont nettement moins chers que le nickel ou le cobalt utilisés par d'autres systèmes, ces cathodes pourraient donc coûter jusqu'à un cinquième du prix des versions conventionnelles.